▲ 현재 비휘발성 3단자 소자로 플래시 메모리와 강유전 FET구조가 많이 사용된다.(左 2개) 본 연구에서 제안된 구조(맨 右)는 반도체 채널에서 이온과 전자/홀 동시제어가 가능한 소재개발로서 이를 이용해서 멤트랜지스터 제작이 가능하다.

국내 연구진이 저전력 멤트랜지스터에 적용이 가능한 세라믹 신소재를 개발해 인공신경망 하드웨어용 소자 제작에 기여할 전망이다.

한국세라믹기술원(산업통상자원부 산하)은 연세대학교 심우영 교수 연구팀과 한국세라믹기술원 김종영 박사, IBS 천진우 단장, 연세대 박철민 교수, Aloysius Soon 교수 등 공동 연구팀이효율적인 저전력 멤트랜지스터를 구현에 필요한 새로운 반도체 세라믹 소재(III-V족 원소)개발에 성공했다고 4일 밝혔다.

멤리스터와 트랜지스터의 합성어인 멤트랜지스터는 정보저장(메모리) 기능을 가지는 멤리스터와 게이트 전압을 조절해 정보처리 기능을 하는 트랜지스터를 통합한 새로운 개념의 소자를 말한다. 

일반적으로 2개의 터미널을 가지는 멤리스터에 비하여 3개의 터미널을 가지는 멤트랜지스터는 여러 개의 시냅틱 연결을 가지는 인공신경망의 뉴런을 보다 정확하게 모델링할 수 있는 장점이 있으나, 지금까지 개발된 멤트랜지스터는 대부분 전이금속 물질로 구성되고 이온 및 전하이동이 제한적으로 제어되어 높은 전력을 필요로 하는 단점이 있었다. 

이에 공동연구팀은  새로운 이온·전하 이동채널(반데르발스 갭)을 가지는 이차원 III-V족 반도체 세라믹 소재를 개발하고 저전력 멤트랜지스터 소자로서의 작동 원리를 규명하는데 성공했다. 

연구팀은 신소재를 찾기 위해 다량의 데이터를 빠르게 처리하는 고속 계산법을 활용해 주기율표에서 이온 이동이 가능한 층상형 구조를 가진 III-V족 기반 40개의 후보 물질을 도출했다. 이중 10종의 화합물을 최종 선별한 후 합성에 성공했고, 이 소재 내부에서 이온 이동에 따른 메모리 특성이 발현되는 것을 검증했다. 

동시에, 새로운 III-V족 화합물 반도체 소재가 멤트랜지스터 소자로서 작동함을 확인함으로써 앞으로 인공신경망 하드웨어용 소자에 적용돼 왔던 제한된 소재군을 확장할 수 있는 가능성을 보여주었다.

한국세라믹기술원 김종영 박사는 “그래핀, 질화붕소 등 많은 2차원 물질은 전기적 물성을 제어하기 어려운 부분에 대하여 데이터 기반의 물질설계 방법론을 적용하여 반도체 성질을 갖는 다양한 세라믹 소재를 설계할 수 있는 가능성을 보여주었다는 점에 큰 의미가 있다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업과 기초과학연구원 프로그램으로 수행됐으며, 연구의 성과는 재료 분야의 국제 학술지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’에 게재됐다.